中型拖拉機(jī)壓實(shí)對測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度和含水率的影響

喬金友，霍東旭，張險(xiǎn)峰，劉立意，孫 健，陳海濤

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)與示范基地，哈爾濱 150039）

東北黑土區(qū)為世界三大黑土帶之一，黑土有機(jī)質(zhì)含量高、土壤肥沃，是寶貴的土壤資源。2020年2月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部以及財(cái)務(wù)部印發(fā)《東北黑土地保護(hù)性耕作行動計(jì)劃》指出，要運(yùn)用機(jī)械化手段解決東北黑土地保護(hù)問題[1]。2020年7月，習(xí)近平總書記在吉林省考察時(shí)強(qiáng)調(diào)，要采取有效措施保護(hù)好黑土地這一“耕地中的大熊貓”[2]，可見保護(hù)黑土、促進(jìn)黑土區(qū)可持續(xù)發(fā)展在農(nóng)業(yè)發(fā)展中占重要地位。但農(nóng)業(yè)機(jī)械化在提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、提高作業(yè)質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收同時(shí)，帶來的土壤壓實(shí)問題也日趨嚴(yán)重[3]，成為影響黑土區(qū)耕地生產(chǎn)能力重要因素。土壤壓實(shí)是因土壤表面受到壓力使土壤孔隙度降低、土壤顆粒排列緊密，導(dǎo)致土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤容重增加的過程[4]。土壤壓實(shí)影響作物根系生長發(fā)育，降低養(yǎng)分吸收及水分利用能力，最終影響作物產(chǎn)量[5-6]。同時(shí)，土壤壓實(shí)后，蓄水能力下降，非毛細(xì)孔隙減少，造成地表徑流，水土流失，養(yǎng)分流失，生產(chǎn)能力降低，直接威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及糧食安全[7-8]。

在全程機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中耕整地、種植、田間管理、收獲、秸稈處理等各作業(yè)環(huán)節(jié)，均造成土壤壓實(shí)，有些作業(yè)環(huán)節(jié)使機(jī)組短時(shí)間反復(fù)多次進(jìn)地作業(yè)，嚴(yán)重壓實(shí)土壤。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤壓實(shí)程度受多種因素影響，包括輪胎接地壓力[9-10]、車輪載荷[11]、壓實(shí)次數(shù)[12-13]、土壤含水量[14]及土壤質(zhì)地[15-16]等。研究表明，農(nóng)業(yè)機(jī)械壓實(shí)改變土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤含水率等土壤物理特性。張興義等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小型拖拉機(jī)壓實(shí)1次，土壤堅(jiān)實(shí)度明顯增加，隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤堅(jiān)實(shí)度增幅變小[17]。Taghavifar等試驗(yàn)得出增大輪胎載荷、增加機(jī)械作業(yè)次數(shù)均增大黏土區(qū)土壤堅(jiān)實(shí)度[18]。周艷麗等研究表明，拖拉機(jī)壓實(shí)1次使土壤容重增加13.3%，土壤含水率降低1.4%，壓實(shí)1～3次后土壤堅(jiān)實(shí)度增幅變小，土壤含水量降幅減緩[19]。喬金友等采用大、中、小3種型號拖拉機(jī)開展試驗(yàn)，得出各機(jī)型壓實(shí)后土壤堅(jiān)實(shí)度均隨壓實(shí)次數(shù)增加遞增，在0～30 cm土層出現(xiàn)明顯壓實(shí)核，壓實(shí)核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度隨壓實(shí)次數(shù)增加逐漸增大[20]。土壤壓實(shí)還會對作物生長及產(chǎn)量產(chǎn)生間接影響。Buttrey等發(fā)現(xiàn)，作物根系無法穿過壓實(shí)后土壤獲得養(yǎng)分，導(dǎo)致產(chǎn)量降低[21]。Reintam等研究表明，即使重量較小的拖拉機(jī)多次壓實(shí)同樣導(dǎo)致作物產(chǎn)量大幅降低[22]。Moraes等研究發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)和過度松弛的土壤均導(dǎo)致大豆產(chǎn)量下降，在壓實(shí)土壤中，根系生長受到明顯影響[23]。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)業(yè)機(jī)械壓實(shí)對土壤堅(jiān)實(shí)度、容重等土壤物理性狀以及對不同作物產(chǎn)量影響等方面開展大量研究，但關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)械壓實(shí)次數(shù)對不同壓實(shí)測點(diǎn)和不同深度土壤物理指標(biāo)的影響規(guī)律研究較少。本文以黑土區(qū)壟作旱田為研究對象，采用中型拖拉機(jī)實(shí)施壓實(shí)試驗(yàn)，研究不同測點(diǎn)和不同土層構(gòu)成的測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度及土壤含水率隨不同拖拉機(jī)壓實(shí)次數(shù)變化規(guī)律，揭示農(nóng)業(yè)機(jī)械與土壤相互作用機(jī)理，為科學(xué)合理使用農(nóng)業(yè)機(jī)械、保持和提升黑土區(qū)耕地生產(chǎn)能力提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)與示范基地（44°04'N，125°42'E）開展，試驗(yàn)基地位于第一積溫帶，年平均溫度3.5～4.5℃，有效積溫（＞10℃）2 600～2 700℃，年均降雨量400～600 mm，無霜期135～145 d。試驗(yàn)基地土壤類型為典型黑土，土壤質(zhì)地為粉壤土（砂粒5.3%，粉粒68.5%，黏粒28.9%）。試驗(yàn)區(qū)前茬作物為玉米，收獲后采用深翻耙地起壟（翻地深度25 cm）方式整地，在春季播種前實(shí)施壓實(shí)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)試驗(yàn)地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化實(shí)際生產(chǎn)情況，采用具有廣泛代表性的中型拖拉機(jī)約翰迪爾904（John Deere 904）模擬農(nóng)業(yè)機(jī)組作業(yè)過程壓實(shí)土壤，供試拖拉機(jī)基本技術(shù)參數(shù)為：功率66.18 kW，外形尺寸4 217×1 890×2 782 mm，使用質(zhì)量4 150 kg，輪距1 950 mm，軸距2 310 mm，輪胎規(guī)格前輪：12.4～24，后輪：16.9～34，接地比壓55 481 Pa。試驗(yàn)共設(shè)置壓實(shí)1～5次及未壓實(shí)對照（CK）6種處理，各壓實(shí)處理均設(shè)置3次重復(fù)，分別錯(cuò)位排列在3個(gè)測試列區(qū)中，共18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)長20 m，小區(qū)間及列區(qū)兩端地頭均設(shè)有6 m緩沖區(qū)，為拖拉機(jī)壓實(shí)準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)彎或轉(zhuǎn)移區(qū)域，試驗(yàn)區(qū)總長度162 m；拖拉機(jī)壓實(shí)輪轍與測試列區(qū)邊界間設(shè)置1.3 m（2壟）保護(hù)行，故測試列區(qū)寬度為4.55 m（7壟），試驗(yàn)區(qū)總寬度為13.65 m（21壟）。為保證測試結(jié)果準(zhǔn)確，試驗(yàn)實(shí)施過程中控制拖拉機(jī)行駛速度為3 km·h-1，且沿同方向行走壓實(shí)。

1.3 測試設(shè)備及試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試方法

采用SC-900土壤堅(jiān)實(shí)度儀（美國Spectrum）測量不同壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度，該儀器每隔2.5 cm自動測量并記錄土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)值，一次測試可獲取0～40 cm土層17個(gè)等距土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)據(jù)。采用TDR-300土壤水分儀（美國Spectrum）測定不同壓實(shí)處理0～20 cm土層土壤體積含水率。

測試時(shí)，在與壓實(shí)轍印垂直方向以轍印中點(diǎn)為中心取7個(gè)測點(diǎn)（每測點(diǎn)間隔10 cm），測量0～40 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度和0～20 cm土層土壤含水率。構(gòu)成60 cm×40 cm土壤堅(jiān)實(shí)度測試截面和60 cm×20 cm土壤含水率測試截面，測點(diǎn)分布如圖1所示。拖拉機(jī)前輪壓過的點(diǎn)為第20～40 cm測點(diǎn)，后輪壓過的點(diǎn)為第10～50 cm測點(diǎn)。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)客觀性和準(zhǔn)確性，在各壓實(shí)小區(qū)壓實(shí)輪轍處隨機(jī)選取3個(gè)截面測取土壤堅(jiān)實(shí)度，各測試截面重復(fù)9次。

圖1 測試截面測點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of testing points in testing cross section

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

為減少測量過程中人為或環(huán)境因素引起的誤差，需對數(shù)據(jù)作粗大誤差剔除。將各處理土壤的堅(jiān)實(shí)度、土壤含水率9個(gè)截面數(shù)據(jù)整合為相同處理、相同測點(diǎn)和相同深度的同質(zhì)數(shù)據(jù)，依據(jù)羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則[24]，依次剔除各處理同質(zhì)數(shù)據(jù)中粗大誤差。首先選擇同質(zhì)數(shù)據(jù)中一個(gè)可疑測量值（極值），然后按t分布檢驗(yàn)該可疑值，如果是粗大誤差，則剔除數(shù)據(jù)，并檢驗(yàn)剩余數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)中無粗大誤差。采用Matlab 2020（b）編制相應(yīng)程序，依次整理、檢驗(yàn)和剔除各壓實(shí)處理測取的6 804個(gè)土壤堅(jiān)實(shí)度和土壤含水率數(shù)據(jù)。選取壓實(shí)1、3、5次處理第30 cm測點(diǎn)數(shù)據(jù)作剔除粗大誤差前后對比，如圖2所示，可看出剔除粗大誤差數(shù)據(jù)前后，各壓實(shí)處理數(shù)據(jù)總體變化趨勢不變，但數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差變小。

圖2 粗大誤差數(shù)據(jù)剔除前后對比Fig.2 Comparison before and after error data removal

剔除粗大誤差數(shù)據(jù)后，采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件作方差分析，并采用最小顯著性差異檢驗(yàn)法（Least significant difference，LSD）作多重比較（P=0.05），使用Surfer 12.0、Origin 2016軟件繪制不同壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度等值線圖及壓實(shí)轍印下方不同壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度、含水率曲線圖，以分析不同壓實(shí)次數(shù)、不同土層、不同測點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度和土壤含水率變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 拖拉機(jī)壓實(shí)對測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度影響分析

采用Surfer 12.0軟件繪制不同壓實(shí)處理、不同深度、不同測點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度等值線圖，直觀表達(dá)不同壓實(shí)處理測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度變化規(guī)律，如圖3所示。

由圖3可知，在0～5 cm表層各處理土壤堅(jiān)實(shí)度均較?。浑S壓實(shí)次數(shù)增加，拖拉機(jī)壓實(shí)對測試截面土壤影響區(qū)域和程度增加，主要體現(xiàn)在10～50 cm測點(diǎn)在5～20 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度變化；而在30～40 cm土層，拖拉機(jī)壓實(shí)1次土壤堅(jiān)實(shí)度明顯增加，壓實(shí)2～5次，該土層壓實(shí)影響區(qū)域和土壤堅(jiān)實(shí)度未提升。

由圖3a可知，對照處理測試截面各測點(diǎn)同土層土壤堅(jiān)實(shí)度差異較小，且土壤堅(jiān)實(shí)度總體上不超過1 000 kPa。由于車輪壓實(shí)作用，拖拉機(jī)壓實(shí)1次測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度增加（見圖3b），與對照處理相比，壓實(shí)1次致使5～10 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度增加300～400 kPa、30～40 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度增加200 kPa。壓實(shí)2次測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度如圖3c所示，在第20～40 cm測點(diǎn)位置5～15 cm土層形成較為明顯壓實(shí)影響區(qū)域，該區(qū)域土壤堅(jiān)實(shí)度最大值達(dá)1 150 kPa；與對照處理相比，5～15 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度增加600 kPa，30～40 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度增加200～250 kPa。壓實(shí)3次（見圖3d），影響區(qū)域的寬度增加為10～50 cm測點(diǎn)，與壓實(shí)輪胎寬度相符，且5～17.5 cm土層壓實(shí)影響區(qū)域土壤堅(jiān)實(shí)度最大值達(dá)1 250 kPa；與對照處理相比，5～17.5 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度增加750 kPa，30～40 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度增加250～350 kPa。壓實(shí)4次測試，截面土壤堅(jiān)實(shí)度如圖3e所示，與壓實(shí)3次相比，壓實(shí)4次影響區(qū)域面積、位置及土壤堅(jiān)實(shí)度變化較小。壓實(shí)5次（見圖3f），影響區(qū)域深度擴(kuò)大至5～20 cm土層，該區(qū)域土壤堅(jiān)實(shí)度為1 050～1 350 kPa，與對照處理相比，5～20 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度增加550～850 kPa、30～40 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度增加200～300 kPa。

圖3 不同壓實(shí)處理測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度等值線圖Fig.3 Contour maps of soil penetration resistance under different treatments

2.2 壓實(shí)轍印下方測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度規(guī)律分析

由上述分析可知，拖拉機(jī)壓實(shí)使第10～50 cm測點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)值變化最大，此寬度與輪胎壓實(shí)轍印大致相同，因此研究拖拉機(jī)壓實(shí)轍印下方不同壓實(shí)處理隨深度變化規(guī)律更具代表性。繪制不同壓實(shí)處理下不同深度土壤堅(jiān)實(shí)度變化折線如圖4所示、不同土層不同壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度差異顯著性如表1所示，以分析不同壓實(shí)處理壓實(shí)轍印下方測試截面各測點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度均值隨測試深度變化規(guī)律。

由圖4可知，壓實(shí)轍印下方各處理土壤堅(jiān)實(shí)度均隨測試深度增加而增加，同測試深度土壤堅(jiān)實(shí)度隨壓實(shí)次數(shù)增加呈增加趨勢，具有累積效果。拖拉機(jī)壓實(shí)1次使土壤堅(jiān)實(shí)度明顯增加，壓實(shí)2～5次時(shí)單次壓實(shí)土壤堅(jiān)實(shí)度增加緩慢。拖拉機(jī)壓實(shí)后各壓實(shí)處理均出現(xiàn)類似鼻形曲線[6]，且“鼻形曲線”峰值對應(yīng)土層隨壓實(shí)次數(shù)增加上移。

由表1可知，壓實(shí)轍印下方不同壓實(shí)次數(shù)對不同土層土壤堅(jiān)實(shí)度影響不同。在0～5 cm土層，壓實(shí)5次土壤堅(jiān)實(shí)度顯著高于壓實(shí)1、2次以及對照處理，除壓實(shí)5次處理外其他處理土壤堅(jiān)實(shí)度差異均不顯著。在5～20 cm土層，各壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度隨深度增加呈先快速增加再下降趨勢，并在10 cm土層達(dá)到峰值（見圖4）。壓實(shí)1～5次土壤堅(jiān)實(shí)度顯著高于對照處理，相比增加47.1%～107.4%；壓實(shí)5次土壤堅(jiān)實(shí)度最大達(dá)1 018 kPa。壓實(shí)1、2次處理間，壓實(shí)3、4、5次處理間土壤堅(jiān)實(shí)度差異均不顯著，且壓實(shí)3、4、5次土壤堅(jiān)實(shí)度顯著高于壓實(shí)1、2次處理，相比增加27.1%。在20～30 cm土層，各壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度隨深度增加緩慢增加。各壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度均顯著高于對照，相比增加23.1%～39.5%，而壓實(shí)1～5次處理間土壤堅(jiān)實(shí)度差異均不顯著。在30～40 cm土層，各壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度隨深度增加呈波動增加，增加速率較小。拖拉機(jī)壓實(shí)1～5次土壤堅(jiān)實(shí)度差異不顯著，但顯著高于對照處理，相比增加27.0%～31.6%。綜合來看，對照和壓實(shí)1次處理各土層間土壤堅(jiān)實(shí)度差異均顯著；壓實(shí)2、3、4次處理30～40 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度顯著高于20～30 cm土層，20～30 cm土層與5～20 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度差異均不顯著；壓實(shí)5次處理，5～20 cm土層與20～40 cm各土層土壤堅(jiān)實(shí)度差異均不顯著。

圖4 各處理壓實(shí)轍印下方土壤堅(jiān)實(shí)度折線圖Fig.4 Soil penetration resistance of different treatments below the rut

表1 不同土層不同壓實(shí)處理轍印下方土壤堅(jiān)實(shí)度Table 1 Soil penetration resistance of different soil layers under different compaction treatments below the rut

2.3 拖拉機(jī)壓實(shí)土壤堅(jiān)實(shí)度影響因素分析

將試驗(yàn)所測各壓實(shí)處理測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 23.0軟件，通過正態(tài)性檢驗(yàn)證實(shí)其符合正態(tài)分布。將壓實(shí)次數(shù)（壓實(shí)0～5次）、測點(diǎn)位置（0～60 cm測點(diǎn)位置）和土層深度（0～10、10～20、20～30、30～40 cm）作為固定因子，運(yùn)用多因素方差分析方法評判這3個(gè)因素對土壤堅(jiān)實(shí)度影響程度。結(jié)果如表2所示。

由表2可見，中型拖拉機(jī)壓實(shí)后，3個(gè)因素對土壤堅(jiān)實(shí)度均有極顯著影響（P＜0.01），影響程度為：土層深度（F=321.726）＞壓實(shí)次數(shù)（F=53.756）＞測點(diǎn)位置（F=42.278）。各因素交互作用也對土壤堅(jiān)實(shí)度有極顯著影響（P＜0.01），其中“壓實(shí)次數(shù)×土層深度”對土壤堅(jiān)實(shí)度影響最大（F=7.812）。

表2 土壤堅(jiān)實(shí)度方差分析Table 2 Soil penetration resistance of variance analysis

2.4 不同壓實(shí)次數(shù)不同測點(diǎn)土壤含水率變化規(guī)律分析

不同壓實(shí)處理不同測點(diǎn)土壤含水率及其差異顯著性如表3所示?？芍?，在整個(gè)測試截面，對照處理各測點(diǎn)土壤含水率變化較小，且差異不顯著。壓實(shí)1、2次時(shí)，第10 cm與第50 cm測點(diǎn)土壤含水率差異不顯著，第20、30 cm測點(diǎn)土壤含水率差異不顯著，但顯著高于第60 cm測點(diǎn)。壓實(shí)3次處理第10～40 cm測點(diǎn)土壤含水率差異不顯著，第0、50、60 cm測點(diǎn)土壤含水率差異不顯著。壓實(shí)4、5次處理第10～50 cm測點(diǎn)土壤含水率差異不顯著，但顯著高于第0 cm測點(diǎn)，相比增加14.5%～25.7%。

表3 不同測點(diǎn)不同壓實(shí)處理土壤含水率Table 3 Soil moisture content of different testing points under different compaction treatments

在壓實(shí)轍印中間第30 cm測點(diǎn)，壓實(shí)1～4次土壤含水率顯著高于對照處理（P＜0.05），增加20.5%～28.5%，壓實(shí)2次處理土壤含水率顯著高于其他處理，且除壓實(shí)2次外其他壓實(shí)處理間土壤含水率差異均不顯著。在第10、20、40 cm測點(diǎn)，除對照處理外，其他處理土壤含水率差異均不顯著。在第0、50、60 cm測點(diǎn)，各處理間土壤含水率差異均不顯著。

綜合看，除對照處理外，在壓實(shí)轍印下方各壓實(shí)處理第10～50 cm測點(diǎn)各土壤含水率高于第0、60 cm測點(diǎn)，且兩側(cè)第0、60 cm測點(diǎn)各處理間土壤含水率差異均不顯著。可見，壓實(shí)對轍印下方測點(diǎn)土壤含水率影響最大，尤其是對壓實(shí)轍印中間測點(diǎn)。故繪制不同壓實(shí)次數(shù)壓實(shí)轍印中間測點(diǎn)土壤含水率、壓實(shí)轍印下方測點(diǎn)土壤含水率均值和全部測試截面測點(diǎn)土壤含水率均值變化曲線如圖5所示，以進(jìn)一步分析壓實(shí)對土壤含水率影響規(guī)律。

由圖5可知，在壓實(shí)轍印中間測點(diǎn)、壓實(shí)轍印下方測點(diǎn)和全部測試截面測點(diǎn)的土壤含水率均隨壓實(shí)次數(shù)增加呈先增后減趨勢，在壓實(shí)2次時(shí)達(dá)到最大，但在全部測試截面測點(diǎn)隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤含水率變化趨勢平滑，各處理差異較小。各壓實(shí)處理轍印中間測點(diǎn)土壤含水率＞壓實(shí)轍印下方測點(diǎn)土壤含水率＞全部測試截面測點(diǎn)土壤含水率，同樣表明拖拉機(jī)壓實(shí)對轍印下方測點(diǎn)土壤含水率影響最大。在壓實(shí)轍印下方測試截面，各壓實(shí)處理0～20 cm土層土壤含水率高于對照處理，壓實(shí)2次土壤含水率平均為47.2%，與對照相比增加36.7%，而其他壓實(shí)處理土壤含水率為43.4%～44.8%，與對照相比增加25.8%～29.8%，且差異均不顯著（見表4）。壓實(shí)轍印下方0～20 cm土層土壤含水率高于兩側(cè)其他測點(diǎn)，相比增加11.3%～27.6%，各處理間兩側(cè)測點(diǎn)均差異不顯著，且從兩側(cè)測點(diǎn)到壓實(shí)轍印中間測點(diǎn)各壓實(shí)處理土壤含水率逐漸提高。

圖5 不同壓實(shí)處理土壤含水率變化Fig.5 Change of soil moisture content of different compaction treatments

3 討論與結(jié)論

3.1 拖拉機(jī)壓實(shí)對土壤堅(jiān)實(shí)度影響

土壤壓實(shí)程度可由土壤堅(jiān)實(shí)度、容重、孔隙度等指標(biāo)表征，且壓實(shí)后土壤堅(jiān)實(shí)度和容重增加，土壤孔隙度降低[30]，其中土壤堅(jiān)實(shí)度是衡量土壤壓實(shí)程度重要指標(biāo)。在0～30 cm土層，當(dāng)土壤堅(jiān)實(shí)度大于1 000 kPa時(shí)，農(nóng)作物根系生長速度減慢；當(dāng)土壤堅(jiān)實(shí)度大于2 000 kPa時(shí)，會限制作物根系生長發(fā)育，甚至停止生長[25-26]。本試驗(yàn)中，在0～20 cm土層，對照處理土壤堅(jiān)實(shí)度小于800 kPa，但連續(xù)壓實(shí)2次后，該土層土壤堅(jiān)實(shí)度達(dá)到1 000 kPa，連續(xù)壓實(shí)5次后土壤堅(jiān)實(shí)度最高達(dá)到1 500 kPa（見圖3），可知，中型拖拉機(jī)連續(xù)壓實(shí)對作物生長影響不容忽視，為保護(hù)土壤，不影響作物生長，應(yīng)盡量減少拖拉機(jī)連續(xù)進(jìn)地作業(yè)次數(shù)。研究表明，中型拖拉機(jī)壓實(shí)后測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度隨壓實(shí)次數(shù)增加而遞增，且壓實(shí)影響區(qū)域和程度也隨壓實(shí)次數(shù)增加而增加，這與喬金友等研究大中小型拖拉機(jī)壓實(shí)試驗(yàn)對黑土影響規(guī)律一致[20]，而本試驗(yàn)僅采用中型拖拉機(jī)實(shí)施壓實(shí)試驗(yàn)，后續(xù)試驗(yàn)研究應(yīng)完善拖拉機(jī)類型。本試驗(yàn)中，拖拉機(jī)壓實(shí)對轍印下方區(qū)域土壤堅(jiān)實(shí)度影響最顯著，未受車輪碾軋測點(diǎn)位置土壤堅(jiān)實(shí)度也有所增加，是因壓實(shí)垂直應(yīng)力峰值發(fā)生在輪胎中心處，且此應(yīng)力由壓實(shí)轍印下方中心處逐漸向兩側(cè)擴(kuò)散，使兩側(cè)土壤受到中間壓實(shí)土壤側(cè)向擠壓所致[27]。

本試驗(yàn)中，與其他土層相比，拖拉機(jī)壓實(shí)轍印下方5～20 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度變化幅度最大，與對照相比壓實(shí)1～5次處理土壤堅(jiān)實(shí)度增加47.1%～107.4%，這與楊榮等通過小型拖拉機(jī)壓實(shí)5次試驗(yàn)得到規(guī)律相近，而本試驗(yàn)選用中型拖拉機(jī)試驗(yàn)，各壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度增加幅度相比較高[28]；20～30 cm土層各壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度增加幅度小，拖拉機(jī)壓實(shí)對該土層影響較?。?0～40 cm土層在壓實(shí)1次后各處理土壤堅(jiān)實(shí)度無明顯增加。壓實(shí)轍印下方，對照處理土壤堅(jiān)實(shí)度隨測試深度增加而增加，而各壓實(shí)處理土壤堅(jiān)實(shí)度隨測試深度增加呈類似“鼻形”帶有峰值的曲線，隨壓實(shí)次數(shù)增加，0～20 cm土層鼻形區(qū)越來越明顯，與Sivarajan和高愛民等研究結(jié)果一致[6,29]，但本試驗(yàn)中未分析壓實(shí)后單一測點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度，而對壓實(shí)轍印下方10～50 cm測點(diǎn)平均分析，結(jié)果更有代表性。研究表明，各處理0～5 cm土壤堅(jiān)實(shí)度較小且顯著低于其他土層，是因車輪碾壓剪切作用，表層土壤變疏松。在本試驗(yàn)中，對照以及壓實(shí)1次處理，各土層間土壤堅(jiān)實(shí)度均有顯著差異；而壓實(shí)2～4次處理5～20 cm土層與20～30 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度無顯著差異；壓實(shí)5次處理5～20 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度與20～40 cm各土層土壤堅(jiān)實(shí)度差異均不顯著，其原因是壓實(shí)對5～20 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度影響最大，連續(xù)5次壓實(shí)使5～20 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度逐漸累積[19]，與深層土壤堅(jiān)實(shí)度差異逐漸減小。

試驗(yàn)表明，壓實(shí)次數(shù)、土層深度、測點(diǎn)位置及其交互作用均為影響土壤堅(jiān)實(shí)度顯著因素，其中土層深度和壓實(shí)次數(shù)為影響土壤堅(jiān)實(shí)度最主要因素，與岳龍凱研究黑土區(qū)田間機(jī)械壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果一致，但其測試時(shí)期為大豆播種后[30]，有關(guān)不同作物類型以及測試時(shí)期下土壤堅(jiān)實(shí)度影響因素變化需進(jìn)一步驗(yàn)證。測點(diǎn)位置對土壤堅(jiān)實(shí)度影響相對較小，因拖拉機(jī)壓實(shí)致使轍印下方第10～50 cm測點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度顯著增加，壓實(shí)輪轍兩側(cè)測點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度增加較小，各測點(diǎn)間土壤堅(jiān)實(shí)度相差相對較小。

綜上分析可知，中型拖拉機(jī)壓實(shí)不僅對測試截面土壤堅(jiān)實(shí)度有影響，還顯著影響壓實(shí)轍印下方土壤。且隨壓實(shí)次數(shù)增加，壓實(shí)影響范圍和影響程度增加，對作物根系生長和產(chǎn)量影響也變大。

3.2 拖拉機(jī)壓實(shí)對土壤含水率影響

壓實(shí)不僅影響土壤堅(jiān)實(shí)度，也導(dǎo)致土壤非毛管體積度降低，限制土壤水分蒸發(fā)和入滲，影響土壤水分運(yùn)移過程[31]。本研究結(jié)果表明，各壓實(shí)處理土壤含水率與對照相比增加25.8%～36.7%，且壓實(shí)轍印下方測點(diǎn)土壤含水率與兩側(cè)測點(diǎn)相比增加11.3%～27.6%。因?yàn)樵囼?yàn)所測土壤含水率為體積含水率，壓實(shí)使土壤總體積變小，而土壤中水體積不變，造成各壓實(shí)處理土壤體積含水率變大，這與張世斌研究黃土壓實(shí)后體積含水率變化規(guī)律一致[32]，而本試驗(yàn)中土壤含水率增加幅度較大；周艷麗等采用小型拖拉機(jī)實(shí)施壓實(shí)試驗(yàn)得出，拖拉機(jī)壓實(shí)使0～25 cm土壤含水率降低[19]，且隨壓實(shí)次數(shù)增加土壤含水率增加速率變小。本試驗(yàn)中由于設(shè)備限制，土壤含水率測試深度僅為0～20 cm，關(guān)于壓實(shí)對20 cm以下土層土壤含水率影響有待進(jìn)一步試驗(yàn)。拖拉機(jī)不同壓實(shí)次數(shù)對應(yīng)土壤含水率差異不顯著，與張軍昌等在西北地區(qū)開展壓實(shí)模擬試驗(yàn)得出結(jié)果一致[33]。

雖然拖拉機(jī)壓實(shí)后土壤體積含水率有所提高，但壓實(shí)降低土壤入滲和持水能力，尤其影響土壤水分、養(yǎng)分儲存和供應(yīng)[3]，影響作物生長、降低作物產(chǎn)量以及破壞生態(tài)環(huán)境。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)結(jié)合農(nóng)藝要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械化作業(yè)模式，減少拖拉機(jī)壓實(shí)次數(shù)，調(diào)控土壤堅(jiān)實(shí)度和土壤含水率，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高耕層質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。